(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の電圧をスイッチ素子のオン，オフ動作により一定電圧の直流出力に変換し、無負荷を含む軽負荷時には発振期間と強制停止期間を設けて前記スイッチ素子を間欠発振動作させるに当たり、
出力電圧を一定に制御するための出力電圧検出調整回路からの出力信号を前記スイッチ素子のオン，オフのタイミングを決定する第１の指令値とし、無負荷を含む軽負荷時における前記スイッチ素子の発振期間と強制停止期間を制御する制御信号として、前記第１の指令値を一定周波数の搬送波信号と大小比較した比較信号を用いることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項２】
前記搬送波信号は三角波または鋸歯状波信号であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項３】
前記第１の指令値をインピーダンス変換素子に入力し、このインピーダンス変換素子からの出力信号を前記スイッチ素子のオン，オフのタイミングを決定する第２の指令値とするとともに、この第２の指令値を前記比較信号により強制的に低下させて前記スイッチ素子の強制停止期間を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項４】
前記インピーダンス変換素子はボルテージフォロワであることを特徴とする請求項３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項５】
前記スイッチ素子の発振期間と強制停止期間を制御する所定の制御信号を用いて、強制停止期間から発振期間に切り替わるタイミングではコンデンサを定電流で充電する一方、発振期間から強制停止期間に切り替わるタイミングではコンデンサを定電流で放電し、そのコンデンサの電圧を前記第１の指令値と比較し、小さい方の値を前記スイッチ素子のオン，オフのタイミングを決定する新たな指令値とすることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項６】
前記スイッチ素子の発振期間と強制停止期間を制御する所定の制御信号として、前記第１の指令値を一定周波数の搬送波信号と大小比較した比較信号を用いることを特徴とする請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源から変圧器を介して任意の直流出力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法、特に無負荷を含む軽負荷時における制御方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９に従来例を示し、図１０にその動作波形図を示す。
これはフライバックコンバータの例で、その出力電圧ＶO が設定電圧ＶREF と一致するよう、スイッチ素子２のオン幅をパルス幅変調（ＰＷＭ）する。ＰＷＭ制御方法は出力電圧検出調整回路６の出力を指令値ＶC とし、三角波発生回路８からの出力ＶT との大小をコンパレータ７で比較した信号をＰＷＭ信号ＶM として、ＶC ＞ＶT のときスイッチ素子２をオンさせ、ＶC ＜ＶT のときスイッチ素子２をオフさせる。
【０００３】
また、ＰＷＭ信号ＶM と固定周波数かつ固定デューティの矩形波発生回路２３の出力ＶS との論理積をスイッチ素子２の駆動信号ＶG とし、ＶS がＨレベルのときにスイッチ素子２がスイッチングを繰り返す発振期間とし、ＶS がＬレベルのときにスイッチ素子２が強制停止される強制停止期間として、ゲートドライブ回路９を介しスイッチ素子２を間欠発振動作させる。
このように強制停止期間を設けることで、単位時間当たりのスイッチング回数を減少させ、スイッチング損失や導通損失を低減させるようにする。ただし、強制停止期間にはフライバックコンバータの出力にエネルギーが供給されないことから、出力電圧が多少脈動するため、軽負荷時に想定した最大負荷における出力電圧の脈動を許容値内に抑えるよう、発振期間と強制停止期間を最適に設定することが必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示す従来例では、スイッチ素子の発振期間と強制停止期間が、固定周波数かつ固定デューティで制御されるため、軽負荷時に想定している最大負荷で出力電圧の脈動を許容値内に収めるべく発振期間と強制停止期間を設定する必要があり、その結果、無負荷に近くなるほど無駄にスイッチングする回数が増加し、スイッチング損失や導通損失効果が低下するという問題がある。また、強制停止期間と発振期間の切り替わりのタイミングに、スイッチ素子のオン幅が急激に変化するとトランスに急激に電気的なストレスが加わるため、矩形波発生回路２３の発振周波数が可聴帯域内である場合、トランスから非常に耳障りな異音が発生するという問題もある。
したがって、この発明の課題は、軽負荷時の消費電力を低減すること、トランスから耳障りな異音が発生しないようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源の電圧をスイッチ素子のオン，オフ動作により一定電圧の直流出力に変換し、無負荷を含む軽負荷時には発振期間と強制停止期間を設けて前記スイッチ素子を間欠発振動作させるに当たり、
出力電圧を一定に制御するための出力電圧検出調整回路からの出力信号を前記スイッチ素子のオン，オフのタイミングを決定する第１の指令値とし、無負荷を含む軽負荷時における前記スイッチ素子の発振期間と強制停止期間を制御する制御信号として、前記第１の指令値を一定周波数の搬送波信号と大小比較した比較信号を用いることを特徴とする。
上記請求項１の発明においては、前記搬送波信号は三角波または鋸歯状波信号とする（請求項２の発明）。
【０００６】
また、請求項１または２の発明においては、前記第１の指令値をインピーダンス変換素子に入力し、このインピーダンス変換素子からの出力信号を前記スイッチ素子のオン，オフのタイミングを決定する第２の指令値とするとともに、この第２の指令値を前記比較信号により強制的に低下させて前記スイッチ素子の強制停止期間を制御することができる（請求項３の発明）。
この請求項３の発明においては、前記インピーダンス変換素子はボルテージフォロワとする（請求項４の発明）。
【０００７】
さらに、請求項１または２の発明においては、前記スイッチ素子の発振期間と強制停止期間を制御する所定の制御信号を用いて、強制停止期間から発振期間に切り替わるタイミングではコンデンサを定電流で充電する一方、発振期間から強制停止期間に切り替わるタイミングではコンデンサを定電流で放電し、そのコンデンサの電圧を前記第１の指令値と比較し、小さい方の値を前記スイッチ素子のオン，オフのタイミングを決定する新たな指令値とすることができる（請求項５の発明）。
この請求項５の発明においては、前記スイッチ素子の発振期間と強制停止期間を制御する所定の制御信号として、前記第１の指令値を一定周波数の搬送波信号と大小比較した比較信号を用いることができる（請求項６の発明）。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図、図２はその動作を説明するための波形図である。
図１からも明らかなように、出力電圧検出調整回路６の出力信号ＶC をスイッチ素子２のオン幅を決定するコンパレータ７への指令入力信号とするとともに、スイッチ素子２の発振期間と強制停止期間を負荷の大小、すなわち指令値ＶC の値の大小に応じて制御するために、さらにコンパレータ１０と三角波発生回路１１とを追加し、三角波発生回路１１の出力ＶB と指令値ＶC の値の大小を比較した信号を、発振期間と強制停止期間を制御する信号ＶS とする。この信号ＶS を論理積回路１２においてＰＷＭ信号ＶM と論理積をとることにより、図２に示すようにＶS がＨレベル、つまりＶC ＞ＶB のときスイッチ素子２は発振期間となり、ＶS がＬレベル、つまりＶC ＜ＶB のときスイッチ素子２は強制停止期間となる。
【０００９】
このように制御することにより、従来例と比較して軽負荷になる程指令値ＶC の値が小さくなることから発振期間が短くなり、その分スイッチング回数が減少してスイッチング損失や導通損失がさらに軽減される。なお、発振期間と強制停止期間を制御する制御信号を生成するために、指令値ＶC の値を三角波発生回路１１からの三角波信号と大小比較をした比較信号を用いるようにしたが、三角波信号の代わりに鋸歯状波信号等の搬送波信号を用いることができるのは勿論である。
【００１０】
図３はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図、図４はその動作を説明するための波形図である。
これは、出力電圧検出調整回路６の出力信号ＶC を一旦インピーダンス変換素子（電圧フォロア：高入力抵抗，低出力抵抗，電圧利得≒１の増幅器）１３に入力し、その出力として得た信号をスイッチ素子のオン，オフのタイミングを決定する指令値ＶC ' とし、スイッチ素子２の発振期間と強制停止期間を負荷の大小、すなわち指令値ＶC の大小に応じて制御するために、コンパレータ１０と三角波発生回路１１とを追加し、三角波発生回路１１の出力ＶB と指令値ＶC の値の大小比較をした信号により、ノット回路１５を介してスイッチ回路１４をオン，オフさせる。
【００１１】
つまり、スイッチ回路１４がオンすると、指令値ＶC ' は強制的に零に引き下げられてコンパレータ７の出力はＬレベルとなり、スイッチ素子が強制停止される。また、スイッチ回路１４がオフすると、コンパレータ７の入力信号はＶC と等しくなり、出力電圧が一定となるようにスイッチ素子２のオン，オフのタイミングがＰＷＭ制御される発振期間となる（図４の波形ＶC ' 参照）。
以上のようにすることにより、従来例と比較して軽負荷になるほど発振期間が短くなり、スイッチング回数が減少してスイッチング損失や導通損失がさらに低減される。
【００１２】
図５はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図、図６はその動作を説明するための波形図である。
これは、スイッチ素子２の発振期間と強制停止期間を制御する発振回路２３の出力ＶS を用い、強制停止期間から発振期間に切り替わるタイミングでは、定電流回路１９を介してコンデンサ２１を定電流充電するようにスイッチ回路１７をオンさせ、コンデンサ２１の電圧が徐々に増加するようにする。コンデンサ２１はスイッチ回路１７に接続された電源電圧ＶCCまで充電される。また、発振期間から強制停止期間に切り替わるタイミングでは、定電流回路２０を介してコンデンサ２１を定電流放電するようにスイッチ回路１８をオンさせ、コンデンサ２１の電圧が徐々に減少するようにする。コンデンサ２１の電圧は、零になるまで放電される。
【００１３】
さらに、コンデンサ２１の電圧ＶCSをインピーダンス変換素子１６でインピーダンス変換した信号と、出力電圧検出調整回路６の出力信号ＶC とを比較して、小さい方の値をコンパレータ７の入力信号とするために、ダイオード２２を接続している。これにより、強制停止期間から発振期間に切り替わったタイミング以後は、コンデンサ２１の充電スピードでスイッチ素子２のオンパルス幅が徐々に増加し（図６のＶM の左側の波形参照）、コンデンサ２１の電圧よりも出力電圧検出調整回路６の出力ＶC の方が小さくなると、出力電圧が一定となるようにスイッチ素子２のオン，オフのタイミングがＰＷＭ制御される。また、発振期間から強制停止期間に切り替わったタイミング以後は、コンデンサ２１の放電スピードでスイッチ素子２のオンパルス幅が徐々に減少し（図６のＶM の右側の波形参照）、コンデンサ２１の電圧が零になった時点で、スイッチ素子２が完全にオフ状態となる。つまり、発振期間と強制停止期間の切り替わるタイミングではトランスにかかる電気的ストレスが軽減されるため、発振回路２３の発振周波数が可聴帯域内であっても、トランスからの異音が低減する。
【００１４】
図７に図５の変形例を示す。図８は図７の動作説明図である。
図５ではスイッチ回路１７，１８をオンさせるのに発振回路２３の出力を利用しているのに対し、ここではコンパレータ１０の出力を利用している。また、コンパレータ７への入力信号がＶC ' が変化した場合でも、出力電圧検出調整回路６の出力は変化しないようにインピーダンス変換素子１６を接続している。
こうすることで、トランスからの異音を低減しつつ、負荷の大小に応じてスイッチ素子２の発振期間と強制停止期間を制御できるため、従来例に比べて軽負荷になるほどスイッチング損失や導通損失が低減できる。
なお、この発明は或る直流電圧を他の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ一般に適用することができる。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を一定に制御するためのスイッチ素子のオン，オフのタイミングを決定する電圧指令値を用いて、無負荷を含む軽負荷時にスイッチ素子の発振期間と強制停止期間を決定するため、無負荷に近くなるほど発振期間が短くなり、スイッチング損失や導通損失が低減される。また、軽負荷の状態で急激に重負荷となっても、発振期間が増加するように動作するため、出力電圧低下などの問題も起こらない。さらにスイッチ素子の発振期間と強制停止期間の切り替わりの際に、コンデンサを定電流で充放電した信号を用いて、スイッチ素子のオン幅を徐々に変化させることで、トランスの電気的ストレスを軽減し、異音の発生を低減することができる。
以上により、待機時など軽負荷における消費電力を低減することが必要な用途においては、待機時専用の特別なコンバータを省略可能となり、安価な電源システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の動作を説明するための動作波形図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図４】図３の動作を説明するための動作波形図である。
【図５】この発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図６】図５の動作を説明するための動作波形図である。
【図７】この発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図８】図７の動作を説明するための動作波形図である。
【図９】従来例を示す回路図である。
【図１０】図９の動作を説明するための動作波形図である。
【符号の説明】
１…直流電源、２…スイッチ素子、３…トランス、４…整流ダイオード、５…平滑用コンデンサ、６…出力電圧検出調整回路、７，１０…コンパレータ、８，１１…三角波発生回路、９…ゲートドライブ回路、１２…ＡＮＤ回路、１３，１６…インピーダンス変換素子（電圧フォロア）、１４，１７，１８…スイッチ回路、１５…ＮＯＴ回路、１９，２０…定電流回路、２１…コンデンサ、２２…ダイオード、２３…矩形波発生回路（発振期間，強制停止期間調整回路）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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